管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法.pdf

本发明公开了一种用于探测位于公扣的每一部分与母扣的每一部分之间的接触区处的异常部(缺陷、非粘附部和粘结部)，所述公扣和所述母扣形成将被用作诸如OCTG的管道或管子的接头的螺纹接头。本发明提供了一种管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，所述螺纹接头包括公扣和母扣，所述公扣具有在外周表面上的外螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，所述母扣具有在内周表面上与所述公扣的每一部分相对应的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，且所述母扣经由润滑剂与所述公扣紧固。根据本发明的方法包括以下步骤：将超声波传输给母扣的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分中的至少一个中的沿螺纹接头的轴向方向的多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波；对多个位置探测回波强度和回波的接收时间；以及根据回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布，探测所述螺纹接头内的异常部。

1.  一种管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，所述螺纹接头包括公扣和母扣，所述公扣具有在外周表面上的外螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，所述母扣具有在内周表面上与所述公扣的每一部分相对应的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，并且所述母扣经由润滑剂与所述公扣紧固，所述方法包括以下步骤：
将超声波传输给所述母扣的所述内螺纹部分、所述金属密封部分和所述台肩部分中的至少一个中的沿所述螺纹接头的轴向方向的多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波；
对所述多个位置探测回波强度和回波的接收时间；以及
根据所述回波强度的轴向方向分布和所述回波的接收时间的轴向方向分布，探测所述螺纹接头内的异常部。

2.  根据权利要求1所述的管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，其中，通过在所述螺纹接头的所述轴向方向上相对移动超声探头，将所述超声波传输给所述母扣的至少一部分中的沿所述螺纹接头的所述轴向方向的所述多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波。

3.  根据权利要求1所述的管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，其中，通过由超声相控阵探头的每一个转换器电控制所述超声波的传输和接收，将所述超声波传输给所述母扣的至少一部分中的沿所述螺纹接头的所述轴向方向的所述多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波，其中多个转换器排列在所述超声相控阵探头中。

管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法
技术领域
本发明涉及一种用于探测位于公扣(pin)的每一部分和母扣(box)的每一部分之间的接触区处的异常部(缺陷、非粘附部(non-adheringportion)和粘结部(seized portion))的方法，所述公扣的每一部分和所述母扣的每一部分形成将被用作诸如石油工业用管材(OCTG)的管道或管子的接头的螺纹接头。这里，“管道或管子”当认为适当时被称为“管道”。
背景技术
通常，已经广泛使用螺纹接头作为用于OCTG的接头。图1是示意性地图示了螺纹接头的基本结构的轴向方向剖视图。如图1中所示，螺纹接头100设有公扣1和母扣2，所述公扣1具有在外周表面上的外部螺纹部分11、金属密封部分12、台肩部分13，所述母扣2具有在内周表面上对应于公扣1的每一部分的内螺纹部分21、金属密封部分22和台肩部分23，并与公扣1一起被紧固。
外螺纹部分11和内螺纹部分21(以下这些部分通常被命名为“螺纹部分11、21”)彼此拧紧，从而产生用于紧固公扣1和母扣2的作用。金属密封部分12的外径略大于金属密封部分22的内径(此差称为“过盈余量”)，并且当公扣1与母扣2紧固时，由于过盈余量，在两个金属密封部分12、22之间的接触区上生成表面压力，并且由于此接触表面压力，实现充分地保持螺纹接头100的空气泄露效率的功能。台肩部分13、23实现的功能是防止在金属密封部分12、22上产生使得生成过塑性变形的高接触表面压力和保证充足的拧紧量从而确保螺纹接头100的紧固。此外，不仅在金属密封部分12、22上而且在螺纹部分11、21上，螺纹接头100可以具有与金属密封部分12、22相同的过盈余量，从而保证螺纹部分11、21的拧紧，使得所述螺纹部分11、21不容易松开。在这种情况下，台肩13、23也实现将螺纹部分11、21的过盈余量限制到安全区从而防止母扣2上的过应力的功能。
通常，监测当紧固螺纹接头时将被生成的扭矩变化的方法已经被广泛使用为评估具有上述结构的螺纹接头的紧固状态的方法(例如，参见日本第10-267175号公开待审的专利申请)。图2是用于解释评估螺纹接头的紧固状态的传统方法的示例图。如图2中所示，当螺纹接头的紧固已经连续进行时，由于螺纹部分11、21的干涉和金属密封部分12、22的干涉产生的摩擦阻力，产生了扭矩。然后，由于台肩部分13、23的邻接，扭矩迅速增加。通常，通过由操作者监测扭矩的这种变化确定螺纹接头的良好的紧固状态和差的紧固状态。换句话说，在扭矩增加为大于预定阈值的情况下，判断台肩部分13、23彼此邻接，确定已经充分完成螺纹接头100的紧固。
然而，根据图2中所示的传统的评估方法，螺纹部分11、21相互干涉、金属密封部分12、22相互干涉、以及台肩部分13、23面对面相互邻接的事实不是通过独立和分别测量任何物理量来评估。这绝对是一种根据过去经验法则，即由于各个部分相互紧密地粘附(干涉或邻接)而生成扭矩，的方法。当各个部分相互紧密地粘附(干涉或邻接)时确实生成扭矩。然而，由于诸如螺纹部分11、21的粘结(seizing)的另外原因也可以产生大扭矩。因此，仅通过监测扭矩的变化，难以以高精确度评估紧固状态(评估公扣1的各个部分11、12和13与母扣2的各个部分21、22和23是在粘附状态下还是在非粘附状态下)。
此外，即使当存在可以损坏在形成螺纹接头100的公扣1的各个部分11、12和13与母扣2的各个部分21、22和23之间的接触区处的螺纹接头100的空气泄露效率的缺陷(瑕疵)时，也难以产生由此缺陷(瑕疵)导致的扭矩变化。因此，根据图2中所示的传统的评估方法，不能探测到该缺陷。
使用来自缺陷或非粘附部的超声波的反射的超声探伤方法作为用于探测多个构件的缺陷或非粘附部的方法是众所周知的。而且，当探测位于公扣1与母扣2的接触区处的缺陷或非粘附部时，可以考虑使用这种超声探伤方法。
通常，例如，作为使用相对于管道的螺纹接头的超声波反射的测量方法，美国专利No.4870866的说明书中公开了一种用于通过测量在接触区处的超声波的反射测量公扣与母扣之间的接触区处的接触表面压力的方法。
然而，美国专利No.4870866的说明书中描述的技术仅仅公开了用于测量在公扣与母扣之间的接触区处的接触表面压力的方法，而没有公开也没有建议关于用于探测位于接触区处的缺陷或非粘附部的方法。
此外，作为复合钢的结合表面的检查方法，在结合表面上使用超声波的反射和通过原理的JIS G 0601-1989，“复合钢检测方法(testing method ofclad steel)”已经投入实际应用。更具体地，在上述JIS标准中，第一底面回波的强度被调整到80％。通过穿过板状材料的结合表面中的正常部(即，结合部)的超声波从板状材料的底表面的第一次反射得到第一底面回波。当一个部分具有的第一底面回波的强度不超过5％并且来自此部分的回波被主要接收时，这种部分被定义为非结合部。
然而，由于上述JIS标准是如上所述用于根据板状材料的底面回波的强度的变化检查结合表面的方法，此方法难于应用于不能获得底面回波的螺纹接头。螺纹接头不能获得底面回波的理由是因为公扣与母扣之间的接触区与公扣的内周表面不平行。此外，由于上述JIS标准仅仅是在没有假设结合表面上有缺陷(瑕疵)的情况下用于探测非结合部的方法，所以难以识别反射或类似现象是由于结合表面上的缺陷的存在还是由于结合表面上的非结合部(即，非粘附部)的存在而变化。
对于螺纹接头的质量控制来说重要的是识别位于形成螺纹接头的公扣的每一部分与母扣的每一部分之间的接触区上的异常部是非粘附部还是缺陷。非粘附部可能由于母扣和公扣的紧固不足或尺寸误差或类似物产生。另一方面，缺陷可能由于在接触之前在母扣或公扣上出现瑕疵、杂质咬合到接触区、因为缺少存在于母扣和公扣之间的润滑剂的粘结过程等而生成。通过确定识别非粘附部和缺陷，可以根据异常部的种类实施质量控制。当异常部被识别为非粘附部时，可以重新考虑螺纹接头的紧固条件或尺寸公差，而当异常部被识别为缺陷时，可以废弃并更换有缺陷的螺纹接头。
发明内容
已经完成本发明用于解决传统技术中的上述问题，并且本发明的一个目的是提供一种用于探测位于公扣的每一部分与母扣的每一部分之间的接触区处的异常部(缺陷、非粘附部和粘结部)的方法，所述公扣的每一部分和所述母扣的每一部分形成将被用作诸如OCTG的管道或管子的接头的螺纹接头。
作为被本发明的发明人集中考虑以解决上述问题的结果，发明人已经得到了以下知识。
(1)位于公扣的每一部分(外螺纹部分、金属密封部分和台肩部分)与母扣的每一部分(内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分)之间的接触区处的润滑剂的厚度根据这些各个部分的紧固状态局部变化。具体地，在其中螺纹接头是正常的(即，在螺纹接头的接触区处不存在缺陷和粘结部)并且公扣的每一部分和母扣的每一部分相互紧密地粘附(例如，金属密封部分12的外径略大于金属密封部分22的内径)的状态下，不同于非粘附状态(例如，金属密封部分12的外径小于金属密封部分22的内径)，没有润滑剂局部存在。
(2)根据润滑剂是否存在，超声波的回波强度变化。具体地，从其中基本上不存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度低于从其中存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度。
(3)在其中在螺纹接头正常并且公扣的每一部分和母扣的每一部分相互紧密粘附，缺陷或粘结部位于基本上不存在润滑剂的位置(即，其中超声波的回波强度较低的位置)的状态下，超声波的回波强度变得高于其中不存在缺陷和粘结部的状态。
(4)来自存在于母扣的缺陷的回波或来自母扣与公扣之间的粘结部的回波的接收时间(即，从超声波的传输到所述超声波的接收的时间)比来自粘附状态下的正常螺纹接头的回波、来自非粘附状态下的螺纹接头的回波、或来自存在于公扣内的缺陷的回波的接收时间短。
根据发明人的上述知识已经完成了本发明。本发明提供了一种管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，所述螺纹接头包括公扣和母扣，所述公扣具有在外周表面上的外螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，而所述母扣具有在内周表面上与公扣的每一部分相对应的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分，并且所述母扣经由润滑剂与所述公扣紧固，所述方法包括以下步骤：将超声波传输给母扣的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分中的至少一个中的沿螺纹接头的轴向方向的多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波；对所述位置探测回波强度和回波的接收时间；以及根据回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布，探测螺纹接头内的异常部。
根据本发明，将超声波传输给在母扣的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分中的至少一部分中的沿螺纹接头的轴向方向的多个位置，和从所述多个位置接收所述超声波，所述母扣的内螺纹部分、金属密封部分和台肩部分中的至少一部分包括在螺纹接头中(下文，适当地称为“将被评估的部分”)。如上所述，位于公扣的每一部分与母扣的每一部分之间的接触区处的润滑剂的厚度在其中各个部分相互紧密粘附的状态下沿螺纹接头的轴向方向局部变薄，并且从其中基本上不存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度低于从存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度。因此，当将超声波传输给在母扣的各个部分中沿螺纹接头的轴向方向的多个位置和从所述多个位置接收所述超声波时，在其中母扣的每一部分和公扣的每一部分相互紧密地粘附的状态下，超声波的回波强度在轴向方向上以来自其中在接触区处的润滑剂基本上不存在的位置的超声波的回波强度局部较小、而来自其余位置的超声波的回波强度较高的方式分布。另一方面，在其中母扣的每一部分和公扣的每一部分没有相互紧密粘附的状态下，由于润滑剂位于各个部分的整个接触区处，所以超声波的回波强度在轴向方向上以在各个部分的整个区域上较高的方式分布。
此外，即使在如上所述其中公扣的每一部分和母扣的每一部分相互紧密粘附时，缺陷或粘结部位于基本上不存在润滑剂的位置(即，其中超声波的回波强度较低的位置)内的状态下，回波从缺陷或粘结部被反射，使得超声波的回波强度在轴向方向上以在各个部分的整个区域上较高的方式分布。
因此，根据对多个位置探测回波强度的轴向方向分布，可以探测位于螺纹接头将被评估的部分中的异常部(缺陷、非粘附部、和粘结部)。具体地，例如，当回波强度的最小值和回波强度的标准值的比(最小值/标准值)超过对于从来自将被评估的部分的回波强度的轴向方向分布的预定阈值时，可以确定存在异常部。可以使用即使当紧固状态(粘附状态或非粘附状态)改变时也难以变化的回波强度作为标准值。可选地，还可以确定在其中不超过预定阈值的回波强度的区域内的轴向方向长度变得不超过预定长度的情况下存在异常部。
此外，如上所述，来自存在母扣中的缺陷的回波或来自母扣与公扣之间的粘结部的回波的接收时间(即，从传输超声波到接收所述超声波的时间)比来自粘附状态下的正常螺纹接头的回波、来自非粘附状态下的螺纹接头的回波、或来自位于公扣内的缺陷的回波的接收时间短。因此，根据为多个位置探测的回波的接收时间的轴向方向分布，可以识别存在于螺纹接头的将被评估的部分中的异常部(存在于母扣中的缺陷和在母扣与公扣之间的粘结部可以从其它异常部识别)。具体地，例如，通过得到来自将被评估的部分的回波的接收时间的轴向方向分布与已经对粘附状态下的正常螺纹接头事先得到的回波的接收时间的轴向方向分布之间的差，当其中所述差超过预定阈值的区域的轴向方向长度超过预定长度时，可以在异常部中具体地确定位于母扣中的缺陷或粘结部。
此外，作为用于将超声波传输给在母扣中的至少一部分中的沿螺纹接头的轴向方向的多个位置和从所述多个位置接收所述超声波的方法，例如，考虑了一种用于在螺纹接头的轴向方向上相对移动超声探头的方法。
可选地，也可以采用用于由超声相控阵探头中的每一个转换器电控制超声波的传输和接收，多个转换器排列在所述超声相控阵探头中。
根据本发明的管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法，可以高精确度探测存在于公扣的每一部分与母扣的每一部分之间的接触区处的异常部(缺陷、非粘附部、和粘结部)，所述公扣的每一部分和所述母扣的每一部分形成将被用作诸如OCTG的管道或管子的接头的螺纹接头。
附图说明
图1是示意性地图示螺纹接头的基本结构的在轴向方向上的剖视图；
图2是用于说明评估螺纹接头的紧固状态的传统的方法解释图；
图3(图3A、3B、3C、3D和3E)是用于图示用于评估回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布的试验的简单概括的解释图，其中对母扣的金属密封部分实施试验；
图4(图4A、4B、4C、4D和4E)是示出了相对于母扣的金属密封部分获得的回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布的示例的图表；
图5(图5A、5B、5C、5D和5E)是用于说明在将被评估的部分是金属密封部分的情况下探测异常部的方法的具体示例的解释图；
图6是示意性地示出了用于实施根据本发明的超声探伤方法的超声探伤设备的整体结构的方框图；
图7是形成超声探伤设备的超声波扫描仪的示意方框图；
图8是图示了通过使用超声探伤设备金属密封部分在粘附状态下的超声探伤结果的示例；以及
图9是根据另一示例的超声波扫描仪的示意性方框图。
具体实施方式
以下参照附图说明根据本发明的管道或管子的螺纹接头的超声探伤方法的实施例。
首先，以下详细说明本发明的发明人在得到本发明的过程中所述获得的知识。
本发明的发明人实施用于评估回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布的试验，所述回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布通过将超声波传输给母扣2的每一部分和从所述母扣2的每一部分接收所述超声波，并在螺纹接头100的轴向方向上扫描超声波的传输和接收位置而获得。对于下列情况中的每一种情况实施试验，所述情况包括：形成图1中所示的螺纹接头100的公扣1的每一部分(外螺纹部分11、金属密封部分12和台肩部分13)和母扣2的每一部分(内螺纹部分21、金属密封部分22和台肩部分23)在粘附状态下被紧固的情况，所述公扣1的每一部分和所述母扣2的每一部分在非粘附状态下被紧固的情况，缺陷形成在公扣1内的情况，缺陷形成在母扣2的情况，以及在公扣1和母扣2之间生成粘结部的情况。
图3是用于图示用于评估回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布的试验的简单概括的解释图，其中对母扣2的金属密封部分22实施试验。图3A图示了其中母扣2的金属密封部分22和公扣1的金属密封部分12在粘附状态下(即，金属密封部分12的外径略大于金属密封部分22的内径的状态下)被紧固的情况下的评估试验的简单概括。图3B图示了其中金属密封部分12和22在非粘附状态下(即，金属密封部分12的外径小于金属密封部分22的内径的状态)被紧固的情况下的评估试验的简单概括。图3C图示了在其中具有2mm轴向长度、1mm圆周方向长度和0.5mm深度的人为缺陷(狭缝)F1设置在金属密封部分12的密封面上，并且如果没有设置人为缺陷F1，金属密封部分12和22将在粘附状态下被紧固的情况下的评估试验的简单概括。图3D图示了其中具有2mm轴向长度、1mm周向方向长度和0.5mm深度的人为缺陷(狭缝)F2设置在金属密封部分22的密封面上，并且如果没有设置人为缺陷F2，金属密封部分12和22将在粘附状态下被紧固的情况下的评估试验的简单概括。图3E图示了其中金属密封部分12和22之间产生粘结部F3，并且如果没有产生粘结部F3，金属密封部分12和22将在粘附状态下被紧固的情况下的评估试验的简单概括。
具体地，在图3A-3E的每一种情况中，通过传输和接收超声波以使所述超声波聚焦在母扣(外径：大约150mm，内径：大约125mm)的金属密封部分22的密封面的中心部分上并在螺纹接头100的轴向方向上移动超声探头对回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布进行评估，所述回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布通过在螺纹接头100的轴向方向上扫描超声波的传输和接收位置而得到。使用液浸探头(频率：5MHz，转换器直径：大约19mm，焦距：大约64mm，点聚焦探头)作为超声探头。超声探头的角度被调节成传输的超声波正交于金属密封部分22的密封面传播。此外，润滑剂位于公扣1与母扣2之间。
图4是示出了从相对于母扣2的金属密封部分22的评估试验得到的回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布的示例的图表。
图4A示出了当在粘附状态(对应于图3A的状态)下紧固金属密封部分12和22时得到的回波强度的轴向方向分布(上图)和回波的接收时间的轴向方向分布(下图)。如图3A中所示，在其中金属密封部分12和22在粘附状态下被紧固的情况中，在密封面的中心部分(即，由图3A中的虚线箭头所示的区域)处，润滑剂难于存在，并且母扣2和公扣1几乎直接堆积。因此，由于已经传播到母扣的金属密封部分22的超声波容易地传输向公扣1，如图4A中所示，回波强度的轴向方向分布被获得，使得来自密封面的中心部分(由图4A中的虚线箭头表示的区域)回波强度降低。此外，回波的接收时间的轴向方向分布被获得，使得回波的接收时间沿金属密封部分12和22的密封面线性变化。因为在金属密封部分12和22的密封面形成为将在螺纹接头100的轴向方向上线性倾斜的锥形部的同时，用于传输和接收超声波的超声探头平行于螺纹接头100的轴向方向移动，所以得到了回波的接收时间的轴向方向分布。
图4B图示了当在非粘附状态(对应于图3B的状态)下紧固金属密封部分12和22时得到的回波强度的轴向方向分布(上图)和回波的接收时间的轴向方向分布(下图)。如图3B中所示，在其中金属密封部分呢12和22在非粘附状态下被紧固的情况下，润滑剂也位于在密封面的中心部分处，并且母扣2、润滑剂和公扣1堆积成三层结构。因此，由于已经传播到母扣的金属密封部分22的超声波主要从润滑剂与金属密封部分22之间的边界面被反射，如图4B中所示，来自密封面的中心部分的回波强度没有降低，并且回波强度的轴向方向分布被获得，使得在金属密封部分22的整个区域上回波强度更高。此外，回波的接收时间的轴向分布类似于其中如图4A中所示的金属密封部分12和22在粘附状态下被紧固的情况的回波的接收时间的轴向分布。
图4C图示了当人为缺陷F1设置在金属密封部分12的密封面上(对应于图3C的状态)时得到的回波强度的轴向方向分布(上图)和回波的接收时间的轴向方向分布(下图)。如图3C中所示，在其中人为缺陷F1设置在金属密封部分12的密封面上的情况下，润滑剂填充在人为缺陷F1内，并且母扣2、润滑剂和公扣1堆积成三层结构。因此，如图4C中所示，而且当设置人为缺陷F1时，回波强度的轴向方向分布类似于图4B中的所示的回波强度的轴向方向分布。此外，因为超声波从润滑剂与金属密封部分22之间的、没有设置人为缺陷F1的边界面反射，所以获得了类似于图4B中所示的回波接收时间的轴向方向分布的回波接收时间的轴向方向分布。
图4D图示了当人为缺陷F2设置在金属密封部分12的密封面上(对应于图3D的状态)时得到的回波强度的轴向方向分布(上图)和回波的接收时间的轴向方向分布(下图)。如图3D中所示，在其中人为缺陷F2设置在金属密封部分22的密封面上的情况下，润滑剂填充在人为缺陷F2内，并且母扣2、润滑剂和公扣1堆积成三层结构。因此，如图4D中所示，而且当设置人为缺陷F2时，回波强度的轴向方向分布类似于图4B和图4C中的所示的回波强度的轴向方向分布。另一方面，因为超声波从润滑剂与人为缺陷F2的底部之间的边界面反射，所以根据人为缺陷F2的深度缩短了回波的接收时间。换句话说，回波的接收时间的轴向方向分布被形成为在设置人为缺陷F2的区域(即，由图4D中的虚线箭头表示的区域)内更短(偏离直线)。
图4E图示了当在金属密封部分12和22之间产生粘结部F3(对应于图4E的状态)时得到的回波强度的轴向方向分布(上图)和回波的接收时间的轴向方向分布(下图)。如图3E中所示，当在金属密封部分12和22之间产生粘结部F3时，金属密封部分12、22的密封面的表面性质被损坏(例如，表面粗糙度变大)，使得对超声波来说难以传输通过密封面，而不管润滑剂是否填充在密封面之间。因此，如图4E中所示，回波强度的轴向方向分布以来自于密封面的中心部分的回波强度没有降低太多(因为由于密封面上的散射，所以稍微降低了)，并且回波强度在金属密封部分22的整个区域上相对较大这样的方式形成。此外，回波的接收时间的轴向方向分布被形成为在其中生成粘结部F3的区域(即，由图4E中的虚线箭头表示的区域)内更短(偏离直线)。
如上所述，本发明的发明人已经发现：位于公扣1的金属密封部分12与母扣2的金属密封部分22之间的接触区处的润滑剂在其中金属密封部分12和22相互紧密粘附的不同于非粘附状态的状态(参见图3A和图3B)下没有局部地存在。此外，本发明的发明人已经发现：由于从其中基本上不存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度小于从其中存在润滑剂的位置接收的超声波的回波强度，因此超声波的回波强度在其中螺纹接头正常并且金属密封部分12和22相互紧密粘附的、不同于非粘附状态的状态(参见图4A和4B的上图)下被局部降低。此外，本发明的发明人已经发现：在其中缺陷或粘结部存在于在如果螺纹接头正常并且金属密封部分12和22相互紧密粘附而基本不存在润滑剂的位置内的状态下，当与其中不存在缺陷和粘结部的情况相比，超声波的回波强度变得更高(参见图4C-4E的上图)。此外，本发明的发明人已经发现：来自存在于金属密封部分22的缺陷的回波或来自金属密封部分12和22之间粘结部的回波的接收时间变得比来自粘附状态下的正常螺纹接头的回波、来自非粘附状态下的螺纹接头的回波、或者来自存在于金属密封部分12内的缺陷的回波的接收时间短(参见图4A-4E的下图)。
此外，虽然在图3和图4中示例了相对于金属密封部分12和22实施的评估试验，但是发明人认为对于内螺纹21和台肩23可以得到类似的结果。
已经根据发明人的上述知识完成了本发明，并且本发明的特征在于：
将超声波传输给在母扣2的内螺纹部分21、金属密封部分22和台肩部分23中的至少一部分中的沿螺纹接头100的轴向方向的多个位置和从所述多个位置接收超声波，从而为多个位置探测回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布，根据回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布探测存在于在螺纹接头100内的异常部(缺陷、非粘附部和粘结部)。
根据本发明，通过相对于内螺纹部分21、金属密封部分22和台肩部分23中的至少一部分(将被评估的部分)评估沿螺纹接头100的轴向方向的回波强度的轴向方向分布，可以探测是否存在其中在将被评估的部分中超声波的回波强度局部地较低的区域。然后，当存在其中在将被评估的部分中超声波的回波强度局部地较低的区域时，母扣将被评估的部分和公扣相对应的部分相互紧密地粘附，使得可以确定在接触区处没有异常部。另一方面，当不存在其中在将被评估的部分中超声波的回波强度局部地较低的区域时，可以确定在母扣将被评估的部分与公扣相对应的部分之间的接触区处存在异常部。此外，通过评估沿螺纹接头100的轴向方向的回波的接收时间的轴向方向分布，可以从其它异常部中识别存在于母扣中的缺陷和在母扣与公扣之间的粘结部。
以下将说明根据本发明的超声波探伤方法的具体示例(即，用于探测在将被评估的部分的中的异常部的方法的具体示例)。
图5示出了用于说明当将被评估的部分是金属密封部分22时用于探测异常部的方法的具体示例的示例性图。为了确定在金属密封部分12和22的接触区处是否存在异常部，如图5A中所示，相对于通过扫描金属密封部分22上的超声波得到的回波强度的轴向方向分布，读出即使当紧固状态(粘附状态或非粘附状态)改变时也难以改变的回波强度标准值A，和回波强度最小值B(除回波强度的轴向方向分布的相对端之外的最小值)。然后，当最小值B与标准值A之间的比(B/A)大于已经事先决定的预定阈值时，可以确定存在异常部。可选地，如图5A中所示，在其中回波强度不超过预定阈值Th1的区域内的轴向方向长度L_E变得不超过已经事先决定的预定长度的情况下，也可以确定存在异常部。
此外，当将被传输和接收的超声波的频率(即，探伤频率)过高时，不管位于金属密封部分12和22的接触区处的异常部存在还是不存在，对超声波来说都难以输送向公扣1。换句话说，因为不管存在还是不存在异常部，值B/A和轴向方向长度L_E的值都难以改变，所以过高的频率是不优选的。因此，将被传输和接收的超声波的频率优选地被设定为不超过25MHz(更优选地，不超过5MHz)。
为了识别密封部分12和22的接触区处的异常部的种类，可以使用通过扫描金属密封部分22上的超声波得到的回波的接收时间的轴向方向分布(参见图5B)。具体地，通过得到上面获得的回波的接收时间的轴向方向分布与已经对在粘附状态下正常的螺纹接头事先得到的回波的接收时间的轴向方向分布之间的差(参见图5C)，在其中所得的差超过预定阈值Th2(已事先决定)的区域的轴向方向长度L_T超过预定长度(已事先决定)的情况下，可以在异常部中具体地确定存在位于母扣中的缺陷或粘结部。可选地，在对获得的回波的接收时间的轴向方向分布施加高通滤波处理(参见图5B)以清除线性变化成分之后，在其中超过预定阈值(已事先决定)的区域的轴向方向长度超过预定长度(已事先决定)的情况下，可以确定在异常部中具体地确定存在位于母扣中的缺陷或粘结部。
以下将说明用于实施根据本发明的超声波探伤方法的超声探伤设备的具体示例。
图6是示意性地示出了超声探伤设备的总体结构的方框图。图7是形成超声探伤设备的超声波扫描仪的示意方框图。
如图6和图7中所示，根据本具体示例的超声探伤设备200包括：用于沿螺纹接头100的轴向方向扫描超声波的超声波扫描仪3；超声探测仪4，用于控制来自于设置在超声波扫描仪3内的超声探头31、32和33的超声波的传输和接收；电动机驱动仪5，用于驱动设置在超声波扫描仪3内的电动机35；旋转装置6，用于沿螺纹接头100的圆周方向扫描超声波扫描仪3或在圆周方向上旋转螺纹接头100；控制装置7，用于控制超声探测仪4、电动机驱动仪5和旋转设备6；以及供水器8，用于供给作为超声波的接触介质的水。
超声波扫描仪3包括：用于实施螺纹部分11和21的超声探伤的超声探头31、用于实施金属密封部分12和22的超声探伤的超声探头32和用于实施台肩部分13和23的超声探伤的超声探头33。作为超声探头31，例如，通过使用液浸探头(频率：3.5MHz，转换器直径：大约13mm，焦距：大约38mm，点聚焦探头)可以采用垂直地传输和接收超声波以使所述超声波聚焦在内螺纹部分21的螺旋齿根的顶点上的结构。可以使用与用于得到图4中所示的结果的评估试验的超声探头类似的超声探头作为超声探头32。此外，作为超声探头33，通过使用液浸探头(频率：5MHz，转换器直径：大约19mm，焦距：大约64mm，点聚焦探头)，可以采用传输和接收超声波以使所述超声波聚焦在拐角部分231(参见图1)上的结构。然后，超声探头33的角度可以被调节成具有在大约35°-45°范围内的折射角的超声剪切波传播到母扣2内。此外，优选地是聚焦的超声波束的直径(在焦点上的超声波束直径)尽可能的小。例如，在超声探头32的情况下，优选的是在焦点上的超声波束直径大约不超过1mm，因为金属密封部分12和22的高度粘附部分(其中基本没有润滑剂的部分)的轴向方向长度大约为1mm。
除了超声探头31-33之外，超声波扫描仪3包括探头保持器34、电动机35、和工作台36，探头保持器34和电动机连接在所述工作台36上。
超声探头31、32和33安装在探头保持器34上。探头保持器34还具有填充作为接触介质的水W的功能，所述接触介质从供水器8被供给并从水供给端口341流动到探头31-33与螺纹接头100的母扣2的外表面之间的间隙内。电动机35的旋转动能经由用于将此旋转动能转换成线性运动的适当的机械元件传递给探头保持器34，而探头保持器34因此可以沿螺纹接头100的轴向方向移动。由于探头保持器34的移动，而且安装到探头保持器34的超声探头31、32和33沿螺纹接头100的轴向方向移动，因此超声波的传输和接收位置沿螺纹接头100的轴向方向被扫描。在这种情况下，由于工作台36保持螺纹接头100(母扣2)的接触状态，所以安装到工作台36的探头保持器34与母扣2的外表面之间的距离，进一步是超声探头31、32和33与母扣2的外表面之间的距离保持不变。然后，由于工作台36或螺纹接头100通过旋转装置6在圆周方向上旋转，所以可以将超声波传输给螺纹接头100的圆周方向上的多个位置和从所述多个位置接收超声波。
图8图示了通过使用具有上述结构的超声探伤设备200实施在粘附状态下的金属密封部分22的超声探伤的结果的示例。人为缺陷(狭缝)设置在母扣(外径：大约150mm，内径：大约125mm)的金属密封部分12和22的密封面中的每一个上，所述狭缝具有2mm的轴向方向长度、3mm的圆周长度、和0.5mm的深度。根据图8中所示的示例，以在螺纹接头100的轴向方向上12mm的节距(pitch)和在圆周方向上1°的节距测量整个圆周的回波强度分布。图8A图示了利用轴向方向上的横轴和圆周方向上的纵轴由基于在每一个测量点上的回波强度的大小的暗色和亮色表示的C范围，而图8B图示了回波强度的轴向方向强度分布和回波的接收时间的轴向方向分布，所述回波来自于设置在公扣侧上(设置在金属密封部分12侧上)的缺陷附近和设置在母扣侧上(设置在金属密封部分22侧上)的缺陷附近的正常部。
如图8A中所示，在除其中当紧固时缺陷(即，在紧固时利用工具通过保持母扣2在母扣2的外表面上将被生成的缺陷)存在的区域和其中设置人为缺陷的区域之外的区域中，主要在圆周方向上均匀地得到回波强度。另一方面，如图8B中所示，所发现的是正常部中的回波强度的轴向方向分布以回波强度在金属密封部分的几乎中心部处较小这样的方式得到。相反，在公扣侧上的缺陷附近(180°的圆周方向位置附近)和母扣侧的缺陷附件(90°的圆周方向位置附近)的回波强度的轴向方向分布不同于正常部不具有其中回波强度局部较小的区域，使得发现的是可以根据此分布差别探测缺陷。此外，回波的接收时间在其中母扣侧上的缺陷附近存在缺陷的区域内被缩短，而在公扣侧上的缺陷附近轴向方向分布线性变化。因此，由于此分布差别，发现能够识别公扣或母扣是否有缺陷。此外，在其中公扣1与母扣2之间存在非粘附部的情况下，在此非粘附部处的回波强度的轴向方向分布和回波的接收时间的轴向方向分布表明与在公扣侧上的缺陷附近的趋势类似的趋势。然而，非粘附部不同于缺陷而经常连续地存在于螺纹接头100的圆周方向上，使得通过评估回波强度的轴向方向分布和回波强度的圆周方向分布，认为可以从非粘附部识别公扣侧上的缺陷。
超声波扫描仪不限于图7中所示的结构，并且例如，可以采用图9中所示的超声相控阵(ultrasonic phased array)探头的结构(根据图9中的示例，用于实施螺纹部分11和21的超声探伤的超声相控阵探头31A，和用于实施金属密封部分12和22以及台肩部分13和23的超声相控阵探头32A)。然后，以传统的方式通过由超声相控阵探头31A和32A的各自的转换器电控制超声波的传输和接收，可以在螺纹接头100的轴向方向上扫描将被传输和接收的超声波。